Исследование и моделирование взаимодействия пользователя с информационной системой в задачах документального поиска

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2.70.

ГЛАВА 3. Модель человеко-машинного взаимодействия в задачах документального поиска.72.

3.1. Обобщенная схема взаимодействия пользователя с ИПС.73.

3.2. Построение характеристик этапов человеко-машинного взаимодействия. 75.

3.3. Марковская модель процесса документального поиска.80.

3.3.1. Применение аппарата марковских процессов для прогнозирования успешности поиска.84.

3.3.2 Применение аппарата управляемых марковских процессов для поиска оптимальной стратегии управления.86.

3.4. Разработка методики управления поиском.90.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.92.

ГЛАВА 4. Разработка модулей анализа данных для подсистемы технологической поддержки.93.

4.1. Основные поисковые технологии ИПС.94.

4.1.1. Средства формирования запросов.96.

4.1.2. Использование формулировок ранее сохраненных запросов.100.

4.1.3. Средства и технологии поиска документов по сходству.100.

4.1.4. Технологические объекты построения предложения запроса.102.

4.2. Состав и структура архива поисковых сессий.105.

4.2.1. Архив выражений запросов пользователей.106.

4.2.2. Архив обращений пользователей на уровне выполняемых системой функций.108.

4.3. Функциональная схема подсистемы технологической поддержки.110.

4.4. Логические схемы модулей анализа данных подсистемы технологической поддержки.116.

4.5. Представление результатов работы модулей анализа данных подсистемы технологической поддержки.119.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.123.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

124.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

127.

СПИСОК ТЕРМИНОВ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ. 133.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Критерии оценки интерфейса пользователя.134.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Структурные элементы интерфейса пользователя и рекомендации по их использованию.138.

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Разработка интерфейса пользователя: этапы, методы.143.

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Таблица функциональных состояний процесса поиска.145.

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Примеры таблиц решений функциональной сетевой модели поискового интерфейса ИПС.146.

ПРИЛОЖЕНИЕ 6а. Список характеристик сессии.147.

ПРИЛОЖЕНИЕ 66. Список характеристик выражения запроса.149.

ПРИЛОЖЕНИЕ 7. Функциональные группы поисковых операций.150.

ПРИЛОЖЕНИЕ 8а. Таблица уровней значимости корреляций для характеристик сессии, определяющих успешный поиск.151.

ПРИЛОЖЕНИЕ 86. Таблица уровней значимости корреляций характеристик запроса.152.

ПРИЛОЖЕНИЕ 9. Типовые сценарии этапов поиска.153 и их характеристики.153.

ПРИЛОЖЕНИЕ 10. Примерные значения характеристик этапов поиска.156.

В настоящее Бремя основным способом получения информации является обращение к электронным информационным ресурсам. Несмотря на все достижения современных технологий в области поиска информации, основная нагрузка, связанная с семантической переработкой информации в процессе поиска, тем не менее ложится на человека. Это обуславливает возрастающий интерес к проблеме усовершенствования интерфейсов пользователя как организующего компонента информационно-поисковых систем (ИПС).

Задачи поиска информации и деятельностные характеристики пользователей различны [21, 33], что однако практически не учитывается в современных реализациях интерфейсов ИПС. Работая в режиме «самообслуживания», пользователи отмечают недостаточную поддержку системы при выборе поисковых технологий и при последующей информационной оценке результатов. Это определяет потребность в теоретических разработках адаптационных средств, опирающихся на исследования человеко-машинного взаимодействия и одновременно учитывающих особенности предметной области — документального научного поиска.

Поскольку самостоятельный информационный поиск (без посредника) получил широкое распространение сравнительно недавно, рассматриваемая область изучена недостаточно. Принципиально важным аспектом, характеризующим предметную область, является общее направление развития современных информационных систем, а именно стремление к оптимизации процесса поиска путем взаимного усиления возможностей системы «пользователь-ИПС» за счет средств интерфейса пользователя поисковой системы. В частности, отмечено, что, работая в режиме «самообслуживания», пользователи испытывают затруднения в первую очередь в вопросах информационной оценки результатов поиска и выбора поисковых технологий, часто даже не осознавая, что их проблемы связаны именно с выбором технологий поиска [21. 56]. Одним из средств решения этой проблемы является контроль действий пользователя со стороны ИПС.

В связи с этим для решения задач субоптимизации интерфейса пользователя, как организущего компонента системы поиска, в данной работе рассматриваются вопросы моделирования и разработки подсистем технологической поддержки пользователя в процессе поиска.

При разработке систем поддержки особенно остро встает задача поиска обоснований для пересмотра существующих решений, а также оснований для выработки новых решении, адаптированных к специфическим условиям предметной области. Основой для моделирования таких подсистем традиционно яв-. ляется исследование поискового поведения.

В процессе поиска документальной информации пользователь совершает определенные операции — элементарные действия пользователя в ИПС, соответствующие использованию какого-либо из поисковых средств системы для получения конечного и, возможно, промежуточных результатов. Тем самым реализуется определенное поисковое поведение. Выбор каждого следующего действия пользователя в ИПС так или иначе зависит от поисковой ситуации, то есть от примененных операций и соответствующих результатов, полученных на предыдущих шагах.

Несмотря на отсутствие общепринятой терминологии, необходимо различать используемые в литературе понятия, характеризующие поведение пользователей на разном уровне детализации. Так, план последовательности поисковых операций на определенном этапе поиска назовем тактикой поиска, устойчивую последовательность тактик — сценарием поиска, а общую концепцию, или предрасположенность, ведения поиска — стратегией поиска.

С точки зрения способа, с помощью которого задается условие соответствия информационной потребности информационным ресурсам, можно говорить о двух «чистых» стратегиях [21]: вербальной и кластерной. Большинство промышленных ИПС обеспечивают поддержку традиционной вербальной стратегии, отличительной чертой которой является обязательное построение завершенного, логически и синтаксически правильного выражения запроса, посредством которого может быть получена выдача формально релевантных запросу документов. Кластерная стратегия основывается на предположении, что документ, его фрагмент или группа документов может рассматриваться не только как результат поиска, но и как средство задания запроса, то есть некоторый поисковый образ. Технологии, поддерживающие кластерные стратегии, в значительной мере позволяют сократить объем просматриваемой при поиске информации за счет определения на основе знаний пользователя в сочетании с иерархиями классификаций, рубрикаций и указателей предметной области групп документов для эффективной идентификации запрашиваемой информации. Кроме того, систематизация выдач обеспечивает пользователя дополнительной информацией, позволяющей формулировать более объективные оценки качества поиска и, соответственно, иметь более обоснованные решения о завершении процесса поиска.

Разнообразие поисковых тактик обусловлено как характером цели и типом поиска, так и системными решениями конкретной ИПС — методами и технологиями поиска, архитектурой БД. В [9, 57, 58, 69] в качестве характеристики поискового поведения используется понятие «тактика модификации запроса», описывающее последовательный поиск не как совокупность независимых запросов, а как последовательность модификаций запроса предыдущего шага поиска. При этом в [58, 69] перечислены более двадцати тактик, образующих две группы: тактики задания начального запроса и тактики модификации запроса. Тактика задания начального запроса может быть «мягкая» (запрос из одного терма) и «жесткая» (запрос из нескольких термов). Тактика модификации запроса может заключаться в уточнении запроса (пересечении с новым термом), изменении запроса (при неизменном количестве термов), усечении запроса (количество термов уменьшается) и расширении запроса (объединении с синонимами). В настоящей работе предполагается рассматривать не только тактики одной модификации запроса (от предыдущего запроса к текущему), но и сценарии поиска, то есть устойчивые последовательности тактик модификации запроса.

Сценарий документального поиска, может быть определен как набор возможных вариантов развития объекта исследований, представленных в виде ряда последовательностей событий, определенных на вероятностном операторном пространстве [30]. С точки зрения приложений сценарий поведения объекта является необходимым промежуточным звеном между этапами целеполагания и формирования конкретных планов работ.

Различаются [30] сценарии поведения системы и сценарии управления. Такое различие связано с тем, что сценарий управления формируется в зависимости от цели управления и соответствующего правила выбора управляющих, воздействий, в то время как назначение сценария поведения объекта — это исследование поведения объекта в условиях, отсутствия явных управленческих воздействий. Таким образом, основное различие в рассматриваемых понятиях заключается в присутствии в сценариях управления активных элементов изучаемой системы [10, 39], в том числе субъекта управления — оперирующей стороны, не только преследующей вполне определенную цель, но и активно ее реализующую. В настоящей работе предполагается осуществить исследование сценариев поведения системы «пользователь — ИПС» при отсутствии управленческих воздействий и предложить возможные сценарии управления документальным поиском.

В качестве предмета для исследования поведения пользователей в данной работе выступает навигация — реализации сценария поиска в виде архива поисковых сессий конкретной ИПС. Средства навигации позволяют пользователю осуществлять управление процессом поиска. Такие средства предоставляются пользователю в виде интерфейса, позволяющего организовать более или менее эффективный процесс взаимодействия с базой данных. При этом «дружественность» интерфейса характеризуется не только эргономичностыо и понятпостыо, но и вариантностью выбора операционных обьектов. Средства интерфейса должны «объяснить» существо системы, то есть обеспечить основу и поддержку определения стратегии поведения, а также соотнесения каждого действия с обобщенной моделью процесса, явно задать содержание каждого объекта и обосновать переход от предположений к действиям по реализации сценария.

Существующие па настоящий момент средства поддержки пользователя в ИПС [56, 66−67, 70−75, 81−85. 87−88] представляют собой два типа подсистем: компонентные и концептуальные. Компонентные средства поддержки характеризуются оптимизацией интерфейса определенного функционального этапа процесса поиска (например, формализации поисковой потребности пользователя или представления документов), а концептуальные средства представляют собой общесистемные интеллектуализированные решения.

Однако, практически все проанализированные в рамках этой работы средства поддержки основываются на исследовании поведения малого количества пользователей (до двадцати испытуемых) или на анализе предметной области разработчиком системы без статистического исследования реальных поисковых сессий, что безусловно снижает объективную степень соответствия разрабатываемых подсистем поддержки потребностям пользователей. Таким образом, очевидна необходимость в исследованиях поведения пользователя, использующих значительные выборки поисковых сессий.

В исследованиях, посвященных моделированию человекомашинного взаимодействия, отмечено частое обращение к такому математическому аппарату, как теория графов [29, 64], теория сетей Петри [49, 51] и теория нейронных сетей [12], что показало перспективность использования сетевых моделей в задачах проектирования интерфейсных средств.

Следует отметить, что прагматическая результативность поиска обуславливается также видом и степенью информационной неопределенности (метаин-формационной, лингвистической, семантической) [21]. При этом оценка когнитивного состояния пользователя в ИПС так или иначе связана с анализом основных объектов поиска (запросов и документов) и сводится к оценке двух аспектов: технической эффективности выражения запроса (полноты и точности представления информационной потребности в конкретной ИПС) и, собственно, информационной оценке — определению семантической значимости найденной информации, которая обычно сводится к систематизации и анализу найденных документов — результатов поиска.

В существующих исследованиях не учитываются подобные особенности процесса поиска, как н возможность применения формализованных методов для отслеживания состояний пользователя в процессе решения его основной задачи с последующим прогнозированием характера развития процесса поиска.

Соответственно, актуальной является задача моделирования взаимодействия пользователей с документальной ИПС в контексте минимизации когнитивной нагрузки на пользователя, особенно в части использования поисковых тактик.

Вышеизложенное позволяет заключить, что проблемы моделирования, проектирования и стандартизации пользовательских интерфейсов в системах поиска баз данных документальной научной информации требуют активного внимания. Сложность, многоаспектность и недостаточная разработанность целого ряда теоретических и эмпирических вопросов проектирования интерфейсов в подобных системах, объективная необходимость их научного осмысления и комплексного анализа определили выбор целей, задач, структуры и содержания исследования.

Цслыо работы является разработка методов и средств повышения эффективности взаимодействия пользователя с документальной информационно-поисковой системой.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие основные задачи:

— исследование общих принципов функционирования поисковых систем, анализ этапов человеко-машинного взаимодействия и особенностей интерфейсов в системах научного документального поиска;

— статистический анализ поисковых сессий и выявление закономерностей в поведении пользователей при поиске;

— разработка моделей динамического взаимодействия пользователя с документальной ИПС.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, 10 приложений и содержит 156 страниц текста, 27 рисунков и диаграмм, 16 таблиц.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

Разработана технология извлечения данных из архива обращений пользователей к поисковому серверу с целью выявления оснований для проектирования пользовательских интерфейсов ИПС.

Предложена логическая схема информационного обеспечения, схема потоков данных, средства обработки архива выражений запросов. Разработан программный модуль, реализующий расчет характеристик сессии по данным архива выражений запросов пользователей. Разработанный модуль, используемый в подсистеме технологической поддержки пользователя, позволяет выполнить расчет характеристик запроса и сессии с последующим определением типа пользователя.

Предложена функциональная схема подсистемы поддержки пользователя. Разработан программный модуль, реализующий на основании данных архива построение матрицы переходов между состояниями процесса поиска для задания марковской цепи, а также вектора вероятностей начальных состояний. В основу программного модуля положена совокупность процедур, преобразующих описание поисковых сессий в наборы значений характеристик этапов поиска.

Практическая значимость исследования состоит в применении полученных результатов в СКВ ВИНИТИ и ИНИОН РАН для проектирования подсистемы поддержки пользователя в задачах поиска документальной информации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В рамках исследования и моделирования взаимодействия пользователя с информационно-поисковой системой в процессе поиска получены следующие результаты:

1. В результате анализа архивов поисковых сессий и литературы показано, что основные проблемы пользователей, возникающие в процессе документального поиска, связаны с потерей ориентации в информационном пространстве интерфейса информационно-поисковой системы, а также с недостаточным уровнем владения теми средствами ИПС, которые ориентированы на систематизацию и оценку результатов поиска. Выдвинута гипотеза о возможности прогнозирования сценариев поиска по первым действиям пользователя в системе.

2. Систематизированы методы оптимизации интерфейсных средств на уровне диалога: произведен анализ критериев оценки интерфейса и структурных элементов интерфейса пользователя, а также исследованы этапы разработки интерфейса пользователя. Построена сетевая модель функциональных состояний процесса поиска с привязкой к интерфейсным подпространствам ИПС.

3. Определено понятие субоптимизации поисковых интерфейсов, как метода оптимизации деятельностно-ориентированной логики, представляющего собой комплекс средств поддержки пользователя. Это позволяет расширить понятие интерфейса до уровня компонента системы, организующего поиск, а в качестве одного из средств интерфейса использовать подсистему технологической поддержки пользователя.

4. Проведено исследование поведения пользователей методами статистического анализа архива выражений запросов, в результате которого получены следующие основания для моделирования человеко-машинного взаимодействия:

— определены набор и среднестатистические значения характеристик поисковой сессии пользователя при поиске в документальной информационно-поисковой системе (на основе анализа выражений запросов пользователей с учетом динамики количественных структурных характеристик выражения запроса);

— методом главных компонент факторного анализа характеристик сессии выявлены скрытые факторы, определяющие особенности поведения пользователей;

— с помощью регрессионного анализа получены значимые коэффициенты линейной зависимости характеристики «процент запросов с успешной выдачей в сессии» от факторов поведения пользователей.

— в результате кластерного анализа статистически подтверждена возможность выделения четырех типов поведения пользователя в зависимости от факторов поведения, а именно:

1-й тип поведения (28%) — не обладает ни достаточным знанием предметной области поиска, ни навыками работы в ИПС;

2-й тип поведения (23%) — обладает знанием предметной области, но плохо владеет навыками работы в ИПС;

3-й тип поведения (38%) — плохо знает предметную область поиска, но хорошо владеет навыками работы в ИПС;

4-й тип поведения (11%) — хорошо разбирается как в предметной области поиска, так и в навыках работы в ИПС.

Для каждого типа поведения выявлены наиболее часто используемые сценарии поиска.

Таким образом, с помощью статистического анализа репрезентативной выборки поисковых сессий выявлены возможности определения сценариев поиска, устойчивых для каждого типа поведения пользователей. Возможность типизации поведения пользователей определяет возможность прогнозирования характера дальнейших действий пользователя и, на основании прогноза, предлагать пользователю как информацию, позволяющую расширить круг используемых функциональных возможностей ИПС, так и информацию для предотвращения ошибок, характерных для пользователей данного типа.

5. На основе использования математического аппарата однородных поглощающих цепей Маркова построена модель, отражающая динамику взаимодействия пользователя с ИПС, которая позволяет оценивать характер будущего хода поисковой сессии по первым действиям пользователя в системе поиска. Для этого в процессе поиска были выделены этапы и выделен подэтап диагностики, определены характеристики каждого из этапов. Обоснована целесообразность использования математического аппарата однородных поглощающих цепей Маркова для прогнозирования длины поисковой сессии и характеристик возможного поиска.

6. Предложена методика управления поиском, позволяющая по первым поисковым операциям оценить вероятность и характер будущих действий, связанных с выбором поисковых средств, а также предложить возможные альтернативные сценарии поиска до того, как у пользователя возникнет чувство неудовлетворенности системой. Реализация предлагаемой методики управления поиском позволяет разработать комплекс средств субоптимизации интерфейса, организующих информационное пространство и обеспечивающих возможность эффективного поиска в документальных БД.

7. Предложена логическая схема информационного обеспечения, схема потоков данных, средства обработки архива выражений запросов. Разработан программный модуль, реализующий расчет характеристик сессии по данным архива выражений запросов пользователей. Разработанный модуль используемый в подсистеме технологической поддержки пользователя позволяет выполнить расчет характеристик запроса и сессии с последующим определением типа пользователя.

8. Предложена функциональная схема подсистемы тактической поддержки. Разработан программный модуль, реализующий на основании данных архива построение матрицы переходов между состояниями процесса поиска для задания марковской цепи, а также вектора вероятностей начальных состояний. В основу программного модуля положена совокупность процедур, преобразующих описание поисковых сессий в наборы значений характеристик этапов поиска.

Полученные результаты могут быть использованы в дальнейшем в качестве теоретических и методологических обоснований проектных решений при разработке, оптимизации и реорганизации пользовательских интерфейсов ИПС документальной информации в контексте задач максимизации полноты выдачи. Предложена функциональная схема подсистемы тактической поддержки.